Virvlar ingen sett förut

På filmen ser man luftvirvlarna bakom bussen växa och försvinna. Det är en film skapad i en dator och den visar luftens rörelser på ett sätt som ingen gjort förut.

Virvlarna bakom ett fordon står för omkring 80 procent av luftmotståndet, alltså är det centralt att veta hur de bildas och hur formen på bilen påverkar dem. Tillsammans med bilens vikt, motorns verkningsgrad och hjulens friktion är det luftmotståndet som bestämmer hur mycket bränsle som bilen kommer att dra.

Räknade i hundra dygn

Sinisa Krajnovic vid Institutionen för termo- och fluiddynamik vid Chalmers tekniska högskola har i dagarna disputerat på sina beräkningar på luftvirvlar kring fordon. Hans mest avancerade beräkningar gjordes på de tidsberoende virvlarna kring en tänkt buss som kör i en vindtunnel. Filmen som baseras på hans siffror är bara några sekunder lång, ändå krävdes massiva beräkningar för att ta fram uppgifterna, 40 parallellkopplade processorer arbetade i hundra dygn i sträck.

De konstgjorda luftvirvlarna är ett exempel på hur datorer används i utformningen av framtidens bil. I dag uppskattar Volvo att 20 procent av vindtunnelförsöken ersätts av datorberäkningar när man tar fram en ny bil. Och när det gäller krocktester brukar siffran 80 procent nämnas.

Datorerna används också för att simulera hur människan påverkas i en krocksituation. Forskare vid Kungl Tekniska Högskolan bygger modeller av vår ryggrad i datorn och utsätter den för krockar (se Bättre nackbehandling med datormodell, F&F 8/02), för att sedan se hur vi bäst ska skydda både bilister och övriga trafikanter. Vid sidan av dessa försök prövas också nya material ut i datorerna. Metaller, plaster och till och med växtfibrer framställs och prövas i datorn. Metallforskningen används bl a för att ta fram kraftfullare eller bränslesnålare motorer, medan plasterna testas hållfasthetsmässigt för att ersätta metalldelar i karossen.

Gemensamt för alla dessa datorberäkningar är att de trots extrema beräkningsmängder är enkla. I Sinisa Krajnovics försök är formlerna som används förenklade för att kunna visa luftflödet under ett visst tidsintervall, alltså inte bara i genomsnitt eller i en utvald situation. Också själva modellen är starkt förenklad. Fordonet är bara en bussliknande limpa, 12,5 centimeter hög, och den kör i ynka 5 kilometer i timmen. Ändå väcker Sinisa Krajnovics datorversion intresse när han föreläser för Volvos konstruktörer.

Filmen visar verkligheten

I filmen kan man tydligt se hur luften rör sig runt fordonet, och det liknar inte alls de vackra virvlar som brukar synas i vanliga vindtunnelförsök.

– Skälet till att du inte känner igen virvlarna är att jag visar hur det ser ut i varje enskilt ögonblick, berättar Sinisa Krajnovic. Luftrörelserna som vi har sett tidigare visar ett genomsnittligt värde för hur luften beter sig.

Krajnovic kan nu visa att virvlarna, som i genomsnitt ser ut på ett välordnat och typiskt virvelmässigt vis, i själva verket är mycket komplexa och snudd på kaotiska. Han kan dessutom visa hur de samverkar och bygger större och regelbundet återkommande virvlar. Tidigare har man känt till förekomsten av sådana virvlar, nu kan man faktiskt se dem.

I datorn ser man också mycket små virvlar på båda sidor om bilen. Virvlar som inte bara påverkar luftmotståndet.

Vindbruset värst

– Bilens stabilitet i sidled på vägen är till stor del beroende av hur den beter sig i luftströmmen, berättar Sinisa Krajnovic. Kursstabilitet och sidovindar har man mycket svårt att efterlikna i en vindtunnel, särskilt som sidovindarna ofta är plötsliga.

Men den strömmande luften påverkar inte bara luftmotstånd och stabilitet utan också i hög grad ljudet inne i bilen. Oljudet skapas i högre hastigheter nästan enbart av vindbruset. Om man kan konstruera vindrutor, backspeglar, antenner, hjulhuvar och takboxar så att de skapar mindre vindbrus skulle bilen bli tystare.

Hur vattnet rinner och var smutsen fastnar på bilen är också starkt beroende av hur luftströmmarna rör sig. Allt detta sammantaget gör att strömningsmekaniken kring en bil är högintressant.

Om man vill veta hur virvlarna förändras tidsmässigt, så som Sinisa Krajnovics film visar, kan man i dag bara räkna på virvlarna kring enskilda detaljer på bilen, eller på starkt förenklade modeller. Men om 20 år tror han att man kommer att kunna stoppa in en hel bil i datorn och beräkna luftströmmarna hyfsat bra med sådana metoder.